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Numerical simulations to support the planning of water-flume experiments
an application to internal waves and rotors
Brigitta Goger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Vanda Grubišić
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.31714
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30038.58543.359453-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Leewellen, die von einer Bergkette hervorgerufen werden, wurden in der Vergangenheit eingehend erforscht. Die Überströmung von einem Berg geht oft einher mit hohen Windgeschwindigkeiten im Lee und Turbulenz; beide Phänomene stellen eine Gefahr für die Luftfahrt dar. Ein besonders turbulentes Phänomen, hervorgerufen durch Leewellen mit großer Amplitude oder einem hydraulischen Sprung, ist der atmosphärische Rotor, der sich durch negative Windgeschwindigkeiten am Boden im Lee der Bergkette auszeichnet. In der Realität sind Bergketten allerdings selten isoliert. Die Überströmung von zwei Bergketten kann zu Leewelleninterfenz führen, die entweder die Amplituden der Leewellen verstärkt oder abschwächt. Ein ähnlicher Effekt kann beim Strömungsfeld zwischen den Bergketten beobachtet werden. Um den Einfluss von einer zweiten Bergkette auf die Amplitude, Wellenlänge, der Beständigkeit und dem Ort der Grenzschichtablösung zu testen, sind Wassertankexperimente mit zwei "Bergen" geplant. Zur Vorbereitung dieser Experimente wurden mögliche Laboreinstellungen mit dem Model CM1 (Bryan Cloud Model, Version 16) sowohl zweidimensional als auch dreidimensional (LES) numerisch simuliert. Um die Ergebnisse zu klassifizieren, wurden dimensionslose Parameter, z.B. die Froude-Zahl und das Verhältnis zwischen Berghöhe und Inversionshöhe verwendet. Im Rahmen von 2D Simulationen wurde eine Reihe an Sensitivitätstests sowohl für einzelne als auch 2 Bergketten durchgeführt, um die Abhängigkeit von physikalischen Parametern, z.B. der Inversionsstärke, -höhe, und der Bergform zu testen. In den Simulationen mit 2 Bergketten konnte ein Leewelleninterferenzmuster bei Setups mit starken Inversionen beobachtet werden, das starke Ähnlichkeiten mit den Ergbenissen für nichtlineare Fälle von Stiperski und Grubišić (2011) aufweist. Aus den 2D-Sensitivitätstests wurden spezielle Fälle für die 3D LES ausgewählt. In der Analyse wurde ein spezielles Augenmerk auf die Unterschiede zwischen 2D und 3D Turbulenz und bei der Dynamik von Rotoren gelegt. In der 3D LES zeigt das horizontale Vorticityfeld, dass die Rotoren aus kleineren Subrotoren bestehen, die intensiver als das 2D Äquivalent sind. Die Verteilung der TKE zeigt auch einen Einblick in die Dynamik von stark turbulenten Regionen wie Rotoren, hydraulischen Sprüngen und vertikalen Bergwellen.
Abstract
(Englisch)
Lee waves excited by a single mountain range have been studied extensively in the past. Flow over a mountain range is associated with downslope windstorms and turbulence, both of which may pose a hazard for aircraft. A particularly turbulent phenomenon associated with large-amplitude lee waves or hydraulic jumps is an atmospheric rotor, characterized by a reversal of surface flow on the lee of the mountain range and turbulent internal structure. In reality, mountain ridges are rarely isolated. Flow over double or multiple ridges can lead to lee wave interference, which can either enhance or diminish the amplitude of lee waves downstream of the ridges. A similar effect on the flow field can be expected between the individual ridges. To test the influence of secondary topography on lee wave amplitudes, wavelengths, steadiness, and boundary layer separation, water-flume experiments are planned with a double orography setup. In preparation for these experiments, several possible laboratory setups were simulated numerically with the CM1 model (Bryan Cloud Model 1, version 16) with two- and three-dimensional (2D and 3D) large-eddy simulations (LES). To classify the simulation results, non-dimensional parameters such as the Froude number and the mountain/inversion height ratio are used. For the 2D simulations, both with a single and double-ridge topography, a series of sensitivity tests were conducted to examine the dependence of the flow field on a number of parameters, including the inversion height and strength, horizontal wind speed, and mountain shape. For double-ridge topography, a lee wave interference pattern can be determined for setups including inversions, and the results mostly agree with previous findings by Stiperski and Grubišić (2011) for nonlinear flow regimes. Increasing the mountain height and width leads to mountain wave breaking and unsteady flow in lee wave regimes, which is governing the formation and location of rotors in both single- and double ridge setups. Hydraulic jump like flows display more steadiness. However, when the mountain wave breaks at low levels, the jump region gains intensity in terms of reverse flow and turbulence. From the 2D sensitivity tests, special cases were selected for the 3D LES simulations. In the analysis, a special focus was placed on the difference between the 2D and 3D simulations in terms of rotor dynamics and turbulence. In the 3D LES, the horizontal vorticity field shows that the rotor consists of several smaller-scale subrotors, which are more intense than in the corresponding 2D simulations. As for turbulence, the 3D LES allows a direct calculation of the turbulent kinetic energy (TKE) from the variances of the horizontal and vertical wind speeds. The distribution of the TKE field also gives insight into the highly turbulent regions, such as rotors, hydraulic jumps, and breaking mountain waves.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
numerical simulations laboratory experiments rotors internal gravity waves lee waves secondary orography
Schlagwörter
(Deutsch)
Numerische Simulationen Laborexperimente Rotoren Interne Schwerewellen Leewellen zusätzlicher zweiter Berg
Autor*innen
Brigitta Goger
Haupttitel (Englisch)
Numerical simulations to support the planning of water-flume experiments
Hauptuntertitel (Englisch)
an application to internal waves and rotors
Paralleltitel (Deutsch)
Numerische Simulationen als Unterstützung für die Planung von Wassertankexperimenten: Eine Anwendung auf interne Schwerewellen und Rotoren
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
IV, 78 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Vanda Grubišić
Klassifikationen
38 Geowissenschaften > 38.80 Meteorologie: Allgemeines ,
38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre
AC Nummer
AC11790509
Utheses ID
28197
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |
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